F:\VESTA\Gescande Vesta`s\Vesta 057\Kuijt 57.wpd

ESTA
IJFENTWINTIG JAAR JONG!
Einstein IV
Gravitonen
Alhoewel de laatste aflevering besloten werd met de belofte 'straling afkomstig uit een zwart
gat' en de supersnarentheorie te behandelen, wordt nu eerst iets vertelt over het fenomeen
'gravitonen' omdat op de wetenschapsdag (oktober '96) dit onderwerp door onze voorzitter
behandeld gaat worden.
In het woordenboek lezen we: 'graviton (o;-en),theoretische drager van de zwaartekrachtswerking'.
Nu, deze verklaring verdient wel enige uitleg. We zullen een vergelijk maken met een beter
bekend begrip, het foton, hetwelk de drager is van de electromagnetische straling, de
verzamelnaam van vele ons bekende stralingen zoals (zichtbaar) licht, röntgenstraling, u.v.en infrarood licht, radar etc.
Voor wie het nog niet wist volgt nu een korte (historische) toelichting op het begrip 'drager'.
Voor de verklaring van het verschijnsel licht bestonden aanvankelijk twee verklaringen, te
weten die van Newton, die licht als een stroom van (materie)deeltjes opvatte en die van
Huygens die licht als een zicht voortplantende trilling (een golfbeweging dus) beschouwde.
Aanvankelijk leek het dat een van beiden gelijk moest hebben (en de andere dus fout moest
zijn).
Nu weten we: beide zijn juist ! Dit is het zogenaamde dualisme.
Bij interferentieverschijnselen halen we Huygens uit de kast, de verklaring van het fotoelectrisch effect lukt alleen mbv de deeltjestheorie, echter, de lichtdeeltjes zijn geen massadeeltjes
maar deeltjes welke een (zeer) bepaalde energie vertegenwoordigen. Deze deeltjes noemen
we fotonen.
Hoe ontstaat deze (electromagnetische) straling ?
Een electrische lading veroorzaakt (om zich heen) een electrisch veld (waarvan de sterkte
afhankelijk is van de grootte der lading en de afstand daarvan: wet van Coulomb).
Gaat deze lading zich bewegen (een harmonische trilling uitvoeren) dan zal de sterkte van het
(door die lading veroorzaakte) electrisch veld ook gaan varieren. Deze variatie is niet direct
merkbaar: op een afstand van bv 300.000 km zal ze pas na 1 seconde merkbaar zijn, m.a.w.
de variatie plant zich voort met de (ons welbekende) lichtsnelheid als een electromagnetische
golfbeweging(straling). Deze straling bevat energie. (Weet U nog wel: energie/warmte kan
zich op 3 manieren voortplanten: d.m.v. stroming, geleiding en/of straling). Deze stralingsenergie is niet oneindig deelbaar, ze is opgebouwd uit (ondeelbare) energiepakketjes, fotonen
genaamd.
Terug naar het graviton.
Zoals een electrische lading een electrisch veld veroorzaakt, zo is het gevolg van een massa
een gravitatie(zwaartekrachts)veld waarvan de sterkte (evenals bij de lading) afhangt van de
grootte van de massa en de afstand daarvan (gravitatiewet van Newton).
Ook hier geldt weer: een bewegende massa zal een variabel gravitatieveld veroorzaken
waarvan het effect weer niet direct merkbaar is maar zich (evenals bij de bewegende
electrische lading) zich voorplant met... ja, inderdaad, de lichtsnelheid !
Een bewegende massa doet dus zwaartekrachts(gravitatie)golven ontstaan. De dragers
daarvan worden nu gravitonen genoemd.
Het ontstaan van deze zwaartekrachtsgolven was al in 1916 door Einstein (wie anders!?)
voorspeld als haastig bijprodukt van zijn algemene relativiteitstheorie.
Zijn deze zwaartekrachtsgolven ook inderdaad experimenteel waargenomen ?
Het (grote) probleem bij zwaartekrachtsgolven is dat ze zoo ongelofelijk zwak zijn. De
gravitatiekracht is een factor 10 tot de macht 42 (!!) maal zo zwak als de electromagnetische
kracht.
In de elementairdeeltjesfysica is deze kracht dan ook volstrekt te verwaarlozen en dat is dan
ook de reden dat de zwaartekracht (nog steeds) geen onderdeel kan vormen van de GUT
(Grand Unified Theorie). Zo is de energie van de zwaartekrachtsgolven ook een vergelijkbare
factor zwakker dan de energie van de electromagnetische straling. Om een idee van de (zeer
zwakke) energie van zwaartekrachtsgolven te krijgen:
De beweging van de aarde levert nog niet eens voldoende energie voor een straalkacheltje !
Toch werd het zoeken naar zwaartekrachtsgolven in de zeventigerjaren een ware obsessie:
niets zou de kromming van de ruimte aannemelijker maken !
Op aarde heeft men proefnemingen gedaan met bewegende (zware) massa's (Weber in 1965,
later ook in 1978), maar ook in het heelal heeft men mogelijkheden:
Een stelsel van om elkaar draaiende dubbelsterren moet energie verliezen tgv de uitzending
van (energie bevattende) zwaartekrachtsgolven. Dit energieverlies zou dan te meten moeten
zijn uit hun beweging: de sterren zouden (op de lange duur ) naar elkaar toe moeten spiraliseren.
Ook bij de ontploffing van een reuzenster (supernova) zijn gigantische hoeveelheden massa
in beweging. Jammer alleen dat dit verschijnsel (ins ons eigen melkwegstelsel) zich (gemiddeld) slechts een maal per eeuw voordoet.
Wat zijn de laatste ontwikkelingen op dit gebied ?
In Nature 376 p.120 (zomer 1995) werd gesproken over (gepostuleerde) gravitatiegolven als
onderdeel van het zonnegas ten gevolge van trillingen in de kern van de zon (met een lage
frequentie: een periode van 40 minuten).
Maar ongetwijfeld zal de heer Voet in zijn causerie op de wetenschapsdag ons op de hoogte
brengen van de laatste ontwikkelingen op dit gebied. We zijn in ieder geval zeer benieuwd !
Intermezzo:
Zijn gravitonen evenals fotonen wel reëel, dus aantoonbaar ?
Dat is inderdaad het geval.
Bestaan er dan ook virtuele deeltjes ? Ook dat is het geval.
In de quantummechanica worden de krachten (wisselwerkingen) tussen (niet bewegende)
materiedeeltjes (gravitatiewet van Newton) en ladingen (Wet van Coulomb) overgebracht
door zogenaamde krachtvoerende deeltjes, bij massa's dus weer door gravitonen, bij ladingen
door fotonen, en deze (krachtvoerende) deeltjes zijn nu virtueel, dus niet direct waarneembaar.
Naast de virtuele (krachtvoerende) gravitonen en fotonen en de reeele gravitonen en fotonen,
als dragers van de (energiehoudende) straling door bewegende massa's resp. ladingen
uitgezonden, kennen we uiteraard de ons welbekende elementairdeeltjes als quarks (bouwstenen van o.m. protonen en neutronen) en electronen.
Dit soort deeltjes kent ook de overeenkomstige antimaterie:
anti-electronen (positronen), antiprotonen etc.
Jaap Kuyt.